Un filtro óptico es un dispositivo que transmite selectivamente luz de diferentes longitudes de onda , generalmente implementado como un plano de vidrio o un dispositivo de plástico en el camino óptico , que están teñidos en masa o tienen recubrimientos de interferencia . Las propiedades ópticas de los filtros se describen completamente por su respuesta de frecuencia , que especifica cómo el filtro modifica la magnitud y la fase de cada componente de frecuencia de una señal entrante. [1]
La mayoría de los filtros pertenecen a una de dos categorías. El más sencillo, físicamente, es el filtro absorbente ; luego están los filtros de interferencia o dicroicos . Muchos filtros ópticos se utilizan para la obtención de imágenes ópticas y se fabrican para que sean transparentes ; Algunos utilizados para fuentes de luz pueden ser translúcidos .
Los filtros ópticos transmiten selectivamente la luz en un rango particular de longitudes de onda , es decir, colores , mientras absorben el resto. Por lo general, solo pueden pasar longitudes de onda largas (paso largo), solo longitudes de onda cortas (paso corto) o una banda de longitudes de onda, bloqueando longitudes de onda más largas y más cortas (paso de banda). La banda de paso puede ser más estrecha o más ancha; la transición o corte entre la transmisión máxima y mínima puede ser brusca o gradual. Hay filtros con características de transmisión más complejas, por ejemplo con dos picos en lugar de una sola banda; [2] estos suelen ser diseños más antiguos utilizados tradicionalmente para fotografía; Los filtros con características más regulares se utilizan para trabajos científicos y técnicos. [3]
Los filtros ópticos se usan comúnmente en fotografía (donde ocasionalmente se usan algunos filtros de efectos especiales, así como filtros absorbentes), en muchos instrumentos ópticos y para colorear la iluminación del escenario . En astronomía, los filtros ópticos se utilizan para restringir la luz que pasa a la banda espectral de interés, por ejemplo, para estudiar la radiación infrarroja sin luz visible que afectaría la película o los sensores y abrumaría el infrarrojo deseado. Los filtros ópticos también son esenciales en aplicaciones de fluorescencia como la microscopía de fluorescencia y la espectroscopia de fluorescencia .
Los filtros fotográficos son un caso particular de filtros ópticos y gran parte del material aquí es aplicable. Los filtros fotográficos no necesitan las propiedades ópticas controladas con precisión ni las curvas de transmisión definidas con precisión de los filtros diseñados para trabajos científicos, y se venden en mayores cantidades a precios correspondientemente más bajos que muchos filtros de laboratorio. Algunos filtros de efectos fotográficos, como los filtros de efecto de estrellas, no son relevantes para el trabajo científico.
En general, un filtro óptico determinado transmite un cierto porcentaje de la luz entrante a medida que cambia la longitud de onda. Esto se mide con un espectrofotómetro . Como material lineal, la absorción de cada longitud de onda es independiente de la presencia de otras longitudes de onda. Muy pocos materiales son no lineales y la transmitancia depende de la intensidad y la combinación de longitudes de onda de la luz incidente. Los materiales fluorescentes transparentes pueden funcionar como filtro óptico, con espectro de absorción , y también como fuente de luz , con espectro de emisión .
También en general, la luz que no se transmite se absorbe ; para luz intensa, que puede causar un calentamiento significativo del filtro. Sin embargo, el término óptico absorbancia se refiere a la atenuación de la luz incidente, independientemente del mecanismo por el cual se atenúa. Algunos filtros, como espejos , filtros de interferencia o mallas metálicas, reflejan o dispersan gran parte de la luz no transmitida.
La densidad óptica ( adimensional ) de un filtro en una longitud de onda de luz particular se define como
El filtrado óptico se realizó por primera vez con células de paredes de vidrio llenas de líquido; [ cita necesaria ] todavía se utilizan para fines especiales. La gama más amplia de selección de colores ahora está disponible en forma de filtros de película de colores, originalmente hechos de gelatina animal , pero que ahora suelen ser termoplásticos como acetato , acrílico , policarbonato o poliéster , según la aplicación. Fueron estandarizados para uso fotográfico por Wratten a principios del siglo XX, y también por fabricantes de geles de color para uso en teatro .
En la actualidad existen muchos filtros absorbentes hechos de vidrio a los que se les han agregado varios compuestos orgánicos e inorgánicos [ cita necesaria ] . Los filtros ópticos de vidrio coloreado, aunque son más difíciles de fabricar según especificaciones de transmitancia precisas, son más duraderos y estables una vez fabricados. [ cita necesaria ]
Alternativamente, los filtros dicroicos (también llamados filtros "reflectantes" o de "película delgada" o de "interferencia") se pueden fabricar recubriendo un sustrato de vidrio con una serie de recubrimientos ópticos . Los filtros dicroicos suelen reflejar la parte no deseada de la luz y transmitir el resto.
Los filtros dicroicos utilizan el principio de interferencia . Sus capas forman una serie secuencial de cavidades reflectantes que resuenan con las longitudes de onda deseadas. Otras longitudes de onda se cancelan o reflejan destructivamente cuando los picos y valles de las ondas se superponen.
Los filtros dicroicos son especialmente adecuados para trabajos científicos precisos, ya que su gama de colores exacta puede controlarse mediante el grosor y la secuencia de los recubrimientos. Suelen ser mucho más caros y delicados que los filtros de absorción.
Se pueden utilizar en dispositivos como el prisma dicroico de una cámara para separar un haz de luz en componentes de diferentes colores.
El instrumento científico básico de este tipo es un interferómetro de Fabry-Pérot . Utiliza dos espejos para establecer una cavidad resonante. Pasa longitudes de onda que son múltiplos de la frecuencia de resonancia de la cavidad.
Los etalones son otra variación: cubos o fibras transparentes cuyos extremos pulidos forman espejos sintonizados para resonar con longitudes de onda específicas. Suelen utilizarse para separar canales en redes de telecomunicaciones que utilizan multiplexación por división de longitud de onda en fibras ópticas de largo recorrido .
Los filtros monocromáticos sólo dejan pasar una gama estrecha de longitudes de onda (esencialmente un solo color).
El término "filtro de infrarrojos" puede ser ambiguo, ya que puede aplicarse a filtros para dejar pasar el infrarrojo (bloqueando otras longitudes de onda) o para bloquear el infrarrojo (únicamente).
Los filtros de paso de infrarrojos se utilizan para bloquear la luz visible pero dejan pasar el infrarrojo; se utilizan, por ejemplo, en fotografía infrarroja .
Los filtros de corte de infrarrojos están diseñados para bloquear o reflejar longitudes de onda infrarrojas pero dejan pasar la luz visible . Los filtros de infrarrojo medio se utilizan a menudo como filtros absorbentes de calor en dispositivos con bombillas incandescentes brillantes (como proyectores de diapositivas y retroproyectores ) para evitar el calentamiento no deseado debido a la radiación infrarroja. También hay filtros que se utilizan en cámaras de vídeo de estado sólido para bloquear los infrarrojos debido a la alta sensibilidad de muchos sensores de la cámara a la luz infrarroja cercana no deseada.
Los filtros ultravioleta (UV) bloquean la radiación ultravioleta, pero dejan pasar la luz visible. Debido a que las películas fotográficas y los sensores digitales son sensibles a los rayos ultravioleta (que abundan en las claraboyas), pero el ojo humano no, dicha luz, si no se filtra, haría que las fotografías se vean diferentes de la escena visible para las personas, creando por ejemplo imágenes de lugares distantes. las montañas parecen anormalmente brumosas. Un filtro de bloqueo ultravioleta hace que las imágenes se acerquen más a la apariencia visual de la escena.
Al igual que con los filtros infrarrojos, existe una posible ambigüedad entre los filtros que bloquean los rayos UV y los que los dejan pasar; estos últimos son mucho menos comunes y se conocen más explícitamente como filtros de paso UV y filtros de paso de banda UV. [4]
Los filtros de densidad neutra (ND) tienen una atenuación constante en todo el rango de longitudes de onda visibles y se utilizan para reducir la intensidad de la luz reflejando o absorbiendo una parte de la misma. Están especificados por la densidad óptica (OD) del filtro, que es el negativo del logaritmo común del coeficiente de transmisión . Son útiles para alargar las exposiciones fotográficas. Un ejemplo práctico es hacer que una cascada parezca borrosa cuando se fotografía con luz brillante. Alternativamente, es posible que el fotógrafo desee utilizar una apertura mayor (para limitar la profundidad de campo ); agregar un filtro ND lo permite. Los filtros ND pueden ser reflectantes (en cuyo caso parecen espejos parcialmente reflectantes) o absorbentes (parecen grises o negros).
Un filtro de paso largo (LP) es un filtro de interferencia óptica o de vidrio coloreado que atenúa longitudes de onda más cortas y transmite (pasa) longitudes de onda más largas sobre el rango activo del espectro objetivo (ultravioleta, visible o infrarrojo). Los filtros de paso largo, que pueden tener una pendiente muy pronunciada (denominados filtros de borde), se describen por la longitud de onda de corte al 50 por ciento del pico de transmisión. En microscopía de fluorescencia, los filtros de paso largo se utilizan con frecuencia en espejos dicroicos y filtros de barrera (emisión). El uso del antiguo término "paso bajo" para describir filtros de paso largo se ha vuelto poco común; Los filtros generalmente se describen en términos de longitud de onda en lugar de frecuencia, y un " filtro de paso bajo ", sin calificación, se entendería como un filtro electrónico .
Los filtros de paso de banda solo transmiten una determinada banda de longitud de onda y bloquean otras. El ancho de un filtro de este tipo se expresa en el rango de longitud de onda que deja pasar y puede ser desde mucho menos que un Ångström hasta unos pocos cientos de nanómetros. Un filtro de este tipo se puede fabricar combinando un filtro LP y uno SP.
Ejemplos de filtros de paso de banda son el filtro de Lyot y el interferómetro de Fabry-Pérot . Ambos filtros también pueden hacerse sintonizables, de modo que el usuario pueda elegir la longitud de onda central. Los filtros de paso de banda se utilizan a menudo en astronomía cuando se quiere observar un determinado proceso con líneas espectrales asociadas específicas . El Telescopio Abierto Holandés [5] y el Telescopio Solar Sueco [6] son ejemplos en los que se utilizan filtros Lyot y Fabry-Pérot.
Un filtro de paso corto (SP) es un filtro de interferencia óptica o de vidrio coloreado que atenúa longitudes de onda más largas y transmite (pasa) longitudes de onda más cortas sobre el rango activo del espectro objetivo (generalmente la región ultravioleta y visible). En microscopía de fluorescencia, los filtros de paso corto se emplean frecuentemente en espejos dicromáticos y filtros de excitación.
Una clase relativamente nueva de filtros introducida alrededor de 1990. Estos filtros normalmente son filtros de reflexión, es decir, son filtros de muesca en transmisión. Consisten en su forma más básica en una guía de ondas de sustrato y una rejilla de sublongitud de onda o matriz de orificios 2D. Dichos filtros son normalmente transparentes, pero cuando se excita un modo guiado con fugas de la guía de ondas se vuelven altamente reflectantes (un récord de más del 99% experimentalmente) para una polarización , orientaciones angulares y rango de longitud de onda particulares. Los parámetros de los filtros se diseñan mediante la elección adecuada de los parámetros de la rejilla. La ventaja de estos filtros son las pocas capas necesarias para filtros de ancho de banda ultraestrecho (en contraste con los filtros dicroicos) y el posible desacoplamiento entre el ancho de banda espectral y la tolerancia angular cuando se excita más de un modo.
Los filtros para longitudes de onda submilimétricas y del infrarrojo cercano en astronomía son rejillas de malla metálica que se apilan para formar filtros LP, BP y SP para estas longitudes de onda.
Otro tipo de filtro óptico es un polarizador o filtro de polarización, que bloquea o transmite la luz según su polarización . Suelen estar hechos de materiales como Polaroid y se utilizan para gafas de sol y fotografía . Los reflejos, especialmente del agua y las superficies mojadas de la carretera, están parcialmente polarizados, y las gafas de sol polarizadas bloquearán parte de esta luz reflejada, lo que permitirá al pescador ver mejor debajo de la superficie del agua y una mejor visión al conductor. La luz de un cielo azul claro también está polarizada, y en la fotografía en color se utilizan filtros ajustables para oscurecer la apariencia del cielo sin introducir colores en otros objetos, y en la fotografía tanto en color como en blanco y negro para controlar los reflejos especulares de los objetos y agua. Mucho más antiguos que gmrf (justo arriba), estos primeros (y algunos todavía) usan una malla fina integrada en la lente.
Los filtros polarizados también se utilizan para ver ciertos tipos de estereogramas , de modo que cada ojo vea una imagen distinta de una única fuente.
Una fuente de arco emite luz visible, infrarroja y ultravioleta que puede ser perjudicial para los ojos humanos. Por lo tanto, los filtros ópticos de los cascos de soldadura deben cumplir con ANSI Z87:1 (una especificación de gafas de seguridad) para proteger la visión humana.
Algunos ejemplos de filtros que proporcionarían este tipo de filtrado serían elementos de tierra incrustados o recubiertos sobre vidrio, pero en la práctica no es posible realizar un filtrado perfecto. Un filtro perfecto eliminaría determinadas longitudes de onda y dejaría mucha luz para que el trabajador pueda ver en qué está trabajando.
Un filtro de cuña es un filtro óptico construido de manera que su espesor varía continuamente o en pasos en forma de cuña. El filtro se utiliza para modificar la distribución de intensidad en un haz de radiación. También se le conoce como filtro linealmente variable (LVF). Se utiliza en varios sensores ópticos donde se requiere separación de longitudes de onda, por ejemplo, en sensores hiperespectrales. [7]
